NATURE METHODS十大技術(shù)之一——光遺傳學(xué)

近期光遺傳學(xué)之父Dr.Georg Nagel造訪了咱們金開瑞，據(jù)說這位大大是諾貝爾獎的熱門候選者，那么一臉懵逼的吃瓜群眾就發(fā)問了：啥是光遺傳學(xué)，聽起來好高大上！

何為光遺傳學(xué)？

光遺傳學(xué)（optogenetics）是近幾年正在迅速發(fā)展的一項整合了光學(xué)、軟件控制、基因操作技術(shù)、電生理等多學(xué)科交叉的生物工程技術(shù)。

其主要原理是首先采用基因操作技術(shù)將光感基因（如ChR2，eBR，NaHR3.0，Arch或OptoXR等）轉(zhuǎn)入到神經(jīng)系統(tǒng)中特定類型的細胞中進行特殊離子通道或GPCR的表達。光感離子通道在不同波長的光照刺激下會分別對陽離子或者陰離子的通過產(chǎn)生選擇性，從而造成細胞膜兩邊的膜電位發(fā)生變化，達到對細胞選擇性地興奮或者抑制的目的。

Nature Methods雜志在十周年之際推出了紀念特刊，點評了在過去十年中對生物學(xué)研究影響最深的十大技術(shù)，其中就包括光遺傳學(xué)技術(shù)。我們可以毫不夸張地說，光遺傳學(xué)技術(shù)給神經(jīng)學(xué)帶來了一場革命�，F(xiàn)在，這一技術(shù)已經(jīng)迅速成為了許多實驗室里的標準工具。越來越多的人相信，光遺傳學(xué)技術(shù)不僅可以闡明疾病機理，還能夠治療多種人類疾�。ū热缗c視網(wǎng)膜有關(guān)的疾�。�。

光遺傳學(xué)技術(shù)好在哪兒？

用光讀取和控制神經(jīng)活性的好處很明顯，這種技術(shù)是非侵入性的，能在精確的時空點上進行靶標，可以同時采用多種波長和位點，能報告特定分子的存在或活性。在信號讀取方面，人們開發(fā)了高度敏感的探針，檢測突觸的釋放、細胞內(nèi)鈣離子和膜電壓。在神經(jīng)元操縱方面，人們鑒定和優(yōu)化了一系列激活和失活神經(jīng)元的蛋白。

光遺傳學(xué)技術(shù)已經(jīng)滲透到了神經(jīng)學(xué)的每一個角落，研究者們不僅用它來研究大腦的基礎(chǔ)功能，還在動物模型中探索疾病的發(fā)病機制。光遺傳學(xué)的激活子和抑制子可以在同一個細胞內(nèi)表達，這對于因果關(guān)系的建立特別有幫助。

在光遺傳學(xué)領(lǐng)域，開發(fā)新探針是至關(guān)重要的。人們對光敏蛋白Channelrhodopsin及其突變體進行不斷改造，開發(fā)了更利于雙光子激發(fā)的C1V1、能在大腦深處或透過頭蓋骨激活的ReaChR。最近，研究者們還在高分辨率晶體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，改造出了光遺傳學(xué)抑制子。

此外，人們也從自然界鑒定了一些抑制性的視蛋白，包括現(xiàn)在廣泛使用的Arch15和最近發(fā)現(xiàn)的Jaws。在信號讀取方面，出現(xiàn)了新一代的鈣離子感應(yīng)器（比如GCaMP6和Twitch）和電壓感應(yīng)器（QuasAr家族）。

光遺傳學(xué)技術(shù)有什么問題？

一些批評者認為，光遺傳學(xué)激活子的標準用法存在瑕疵。首先，這樣的刺激水平可能使神經(jīng)元應(yīng)答超出生理范圍，而這一點又很難加以評估。在這種情況下，神經(jīng)回路會出現(xiàn)不自然的變化，最后導(dǎo)致不正確的生理學(xué)結(jié)論。這個問題不僅限于激活子，抑制子也可能超出正常的作用范圍。其次，光敏蛋白的表達和光照在神經(jīng)元群體中并不均勻，結(jié)果是光遺傳學(xué)操縱的量級和范圍會出現(xiàn)異質(zhì)性。另外，大范圍光刺激同時作用在神經(jīng)元群體上，可能使回路出現(xiàn)非生理性的活動模式。最后，傳統(tǒng)光遺傳學(xué)技術(shù)靶標特定遺傳學(xué)背景的神經(jīng)元群體，不能再選擇性激活其中的亞群。現(xiàn)在，科學(xué)家們已經(jīng)開始著手解決這些問題。

不管怎么樣，生物技術(shù)真是日新月異，新的研究思路層出不窮，也希望咱們能夠跟上時代的步伐，在生物界大步前行！